中国学者实现具有极致内禀手性的光学态，或将应用于光源、光探测器等场景-世界球精选-- 迪族网

中国学者实现具有极致内禀手性的光学态，或将应用于光源、光探测器等场景-世界球精选

来源：DeepTech深科技　2023-02-27 06:44:21

为什么生命需要手性？这是 Science公布的“全世界最前沿的 125 个科学问题”之一。其实，对物质手性的研究和应用与诸多领域息息相关，例如生物制药、疾病诊断（包括阿尔兹海默症、帕金森综合症等）、食品、化妆品等。

手性光学建立至今已有 100 多年的历史，很多国内外课题组都在手性光学领域进行了探索。随着研究的深入，科学家发现，如何增强光与物质的手性相互作用，是该领域的最核心、最根本的问题。

光与物质手性相互作用的强弱，直接反映在两个重要的指标上——圆二色谱（circular dichroism，CD）以及光学品质因子（Q 因子）。而在手性超表面/超材料领域，CD 值和 Q 值历来“难以兼得”。具体来说，在很多研究中，CD 值虽然可以做到很高，但是 Q 值却普遍很低。

(资料图片仅供参考)

从根本上来看，两个指标中仅一个指标数值高还远远不够，必须两个指标同时到达很高，光与物质的手性相互作用才会显著增强。

2020 年，基于光学超表面的手性连续域中束缚态（chiral bound state in the continuum，chiral BIC）概念被提出，但相关研究仍停留在理论阶段，加工高质量的 chiral BIC 超表面样品仍是该领域的重大挑战。

基于此，中国科学技术大学、哈工大深圳校区与新加坡国立大学团队合作，提出一种精巧的结构设计和加工方法，为最大程度地增强光与物质的手性相互作用提供了全新的路径。

他们通过将结构的倾斜扰动引入介质超表面，第一次实现并观测了具有极致内禀手性的 chiral BIC。该团队在光学波段同时实现了高达 0.93 的 CD 以及 2663 的品质因子（系迄今为止最高）。与此前的手性超材料/超表面的实验结果相比，该结果在品质因子上实现了 1 个数量级的提升。

审稿人对该研究评价称：“尤其印象深刻的是，（这项工作）同时实现了如此高的品质因子和如此强的手性光学响应。”

值得关注的是，chiral BIC 在手性光学领域应用场景广泛，包括手性激光、手性发光二极管、量子光源、光探测器等。“该团队观测到的现象以及性能指标具有很多潜在应用，而且会对多种学科的研究者都有所启发。”另一位审稿人则对该研究这样评价道。

图丨相关论文（来源：Nature）

前不久，相关论文以《内禀手性连续域中束缚态的观测》（）为题发表在Nature 上[1]。

中国科学技术大学工程学院教授为该论文的第一作者，哈尔滨工业大学深圳校区教授、新加坡国立大学教授为论文的通讯作者。

同时实现高品质因子和强手性光学响应

创新的成果离不开团队的厚积薄发。此前，教授发表在 Nature Nanotechnology 和 Physical Review Letters上关于近场手性光学的系列工作为该研究奠定了坚实的基础。

当很多科研团队集中精力在远场研究手性光学时，与其所在团队很早之前就开始关注到近场手性光学这个“小众”的细分领域。他们利用近场手性对谷光子进行定向的传输[2]，并且利用近场手性对手性分子进行探测[3]。

随着对 BIC 研究的兴起，整个光学领域开始关注这个新概念。BIC 的优势是可以将品质因子提升到很高，因此该团队想到，能不能把 BIC 通过某种结构设计构建成 chiral BIC 呢？这样也许既可以实现 CD 值的增加，又能实现 Q 值的增加。

他们通过文献调研和理论分析，找到了构建 chiral BIC 首先需解决的挑战——打破结构的面外镜面对称。但实现这种设计的难点在于，它与以往的针对二维结构的微纳加工手段无法兼容。

因此，该团队“另辟蹊径”提出了一种全新方案——通过构建倾斜结构和面内的梯形纳米孔，实现三维真手性。

图丨（a）倾斜扰动超表面产生 chiral BIC 的示意图。（b）超表面的能带结构。（c）截面上光学手性密度的分布。左：α≠0，φ=0，右：α≠0，φ≠0，中：倾斜微扰区域的 OCD 分布。（d）无倾斜（左）和有倾斜（右）引入情况下，电场和磁场在中心 x-y 面上的分布，以及相应的电偶极子 p 和磁偶极子 m 结构（来源：Nature）

解决问题的途径有很多，该团队是如何想到用倾斜结构去做 chiral BIC 的呢？2018 年，在 Nano Letter 上发表论文[4]，首次提出利用金属薄膜上的倾斜纳米孔结构实现强光手性光学响应。

正是这个先前埋下的伏笔，在面对 chiral BIC 结构设计问题时，便想到了尝试倾斜结构。“因为材料体系完全不同，虽然第一反应不是很确定，但是尝试后发现效果居然很好，这也在我们的意料之外。”陈杨说。

数值模拟上实现了这种现象并不是“万事大吉”，现象背后是哪种机理是该团队面临的第一道“关卡”。表示，很多时候不仅要“知其然”，还要“知其所以然”。

图丨（a）倾斜 RIE 刻蚀装置示意图。（b）超表面样品的侧视图和截面图，比例尺：300 nm。（c）C 点在动量空间随面内和面外扰动引入的演化图。（d）左圆偏光和右圆偏光入射时，超表面的角分辨透射谱（上：仿真结果，下：实验结果）（来源：Nature）

通常，研究人员会通过数值仿真的方法，来确认是否能实现 chiral BIC，但这种方法往往缺乏物理内涵，难以揭示内在机理。他回忆道：“当时，我脑中非常想得到一张具象化的物理图像，那段时间睡觉的时候做梦都在想，到底这个现象背后发生了什么。”

通过与团队协作和大量文献阅读，在教授指导下，突然想到，可以尝试用手性光学的一般性理论来解释相关机理。自此，研究中的第一道“关卡”通过，从物理机理方面将该现象解释清楚。

实验的相关设计理念被提出后，能不能在实验中实现成为该研究的第二个关键性问题。据悉，该实验验证部分由哈工大深圳校区的教授课题组完成。

“微纳加工过程通常费时、费力也费钱，之前尝试很久效果仍不理想。得益于老师课题组丰富的加工经验和手段，我们也针对性地对结构设计进行了优化，直到看到那张呈现出很好结果的样品电镜图，悬着的一颗心终于落地了。”他说。

从产业化发展角度看，工业界更倾向使用面向二维结构的加工工艺，目前该方案中的三维结构设计在产业化发展中仍有一定难度。因此，该团队将在设计和加工方面进一步优化。

表示，未来团队将扩展材料体系以实现更广泛的应用，以及优化结构设计以降低其加工的难度、方便批量化地进行加工。据悉，相关工作已经在推进中，并呈现出优异的结果。

从中科大出发，再回到中科大任教

本科毕业于中国科学技术大学近代物理系，然后在中国科学技术大学精密仪器与机械系完成了博士阶段的学习，师从教授。之后，他在美国密苏里科技大学和新加坡国立大学进行了两期的博后研究工作，合作导师分别为教授及教授。

2021 年 9 月，他回到母校中国科技大学任教，并成立了“纳米光子器件与系统”研究组，以微纳光学、微纳光电器件、超表面与超材料等为主要研究方向。

其实，他做光学方向的研究源自一次“巧合”。在研究生阶段，其所在课题组以微机电系统为主要研究方向。当时，学校引进了一台扫描近场光学显微镜，这在当时是一件“新事物”，并想在所在课题组寻找一名物理基础好的研究生进行持续研究。

新事物，意味着并没有太多以往经验可参考。于是，克服重重困难“独挑大梁”，在近场光学方向摸索了很长时间。也正因为这段经历，他在光学方向积累了丰富的科研经验。

图丨陈杨（来源：）

谈及博士导师褚老师对自己的影响，他表示：“褚老师严谨、专注的治学态度深深影响着我, 他鼓励我们遇到问题要‘刨根问底’, 同时他也鼓励我们在感兴趣的研究方向上自由探索，并给予很好的支持。”

如果说在褚老师的指导下学会了如何做科研，那么，在教授课题组从事博后研究的期间，则学到了如何去做更前沿的科研。

“仇老师对万事都保持好奇心、接受新鲜事物速度非常快，并且他站在科学前沿，学术品味非常好，总是能解析到科研中最深层次、有价值的东西，这些都是值得学习的地方。而且仇老师是个非常 nice 的导师，会尽自己所能帮助组里学生完成科研工作，并给出高屋建瓴的指导。”他说。

正是受到了导师们的积极影响，在归国成为博导之后，他更加注重对学生成长的引导。他表示，做科研工作本身非常枯燥，因此需要兴趣和热情的驱动。他更鼓励学生们独立自主地去找到真正热爱的研究课题，并加以引导，而不是帮助他们做决定。

在看来，自己是一名“学术+应用派”。他认为，做研究应该以应用为导向，架起学术研究与应用之间的桥梁。未来，他还想在动态可调超表面系统方向有所突破，包括基于可调超表面的激光器、滤波器、量子光源等。

目前，教授的课题组正在招收硕士、博士研究生以及博士后，研究方向包括（但不限于）微纳光子学、光学微腔、近场光学等，感兴趣的同学可以关注课题组主页：np.ustc.edu.cn.。

参考资料：

1.Chen, Y., Deng, H., Sha, X. et al. Observation of intrinsic chiral bound states in the continuum. Nature613, 474–478 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05467-6

2.Chen, Y., Qian, S., Wang, K. et al. Chirality-dependent unidirectional routing of WS2 valley photons in a nanocircuit. Nature Nanotechnology 17, 1178–1182 (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01217-x

3.Chen, Y. et al. Physical Review Letters128, 146102 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.146102

4.Chen Y, Gao J, Yang X. Chiral metamaterials of plasmonic slanted nanoapertures with symmetry breaking[J]. Nano letters, 2018, 18(1): 520-527.https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b04515

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关键词：结构设计品质因子相互作用

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